JP2019537076A - RGB projector with multiple laser broadband light source and system for dynamically controlling image contrast ratio - Google Patents
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Abstract
高ダイナミックレンジプロジェクター(HDRP)は、赤色、緑色及び青色のデジタル光プロジェクター(DLP)チップを有する少なくとも一つの空間光変調器と、各DLPチップを照らすように動作する赤色、緑色及び青色のレーザー光システムを含むレーザー光源と、DLPエンジンとRGBレーザー光システムの各々に結合された中央処理装置(CPU)とを備えて構成され、CPUは、所望のコントラスト比に基づいて或るフレームレートにおけるRGBレーザー光システムの各々の最適な平均パワーを決定するように動作可能である。A high dynamic range projector (HDRP) comprises at least one spatial light modulator having red, green and blue digital light projector (DLP) chips and red, green and blue laser light operative to illuminate each DLP chip. And a central processing unit (CPU) coupled to each of the DLP engine and the RGB laser light system, the CPU comprising an RGB laser at a frame rate based on a desired contrast ratio. Operable to determine an optimal average power for each of the optical systems.
Description
本開示は、多重レーザー光源を備えるRGB(red(赤)、green(緑)、blue(青))プロジェクターに関する。特に、本開示は、スペックルの低減に寄与するように個別に制御される広帯域ファイバーRGBダイオードレーザーに関し、更に、画像のコントラスト比を動的に制御するためのレーザービーム伝送システムに関する。 The present disclosure relates to RGB (red (red), green (green), blue (blue)) projectors with multiple laser light sources. In particular, the present disclosure relates to broadband fiber RGB diode lasers that are individually controlled to contribute to speckle reduction, and further relates to a laser beam transmission system for dynamically controlling the contrast ratio of an image.
高品質のプロジェクション(投写型)ディスプレイに対する需要は、画像品質を求め映画の体験を最大にしたい消費者とクリエイティブ産業との両方から増え続けている。映画産業の主な取り組みの一つは、画像の輝度とコントラストとの改善である。最近、大手映画会社及びプロジェクター会社はレーザー技術に注目している。レーザー型プロジェクターの使用は、従来のキセノンバルブを備えるプロジェクターに対して低い所有コスト(寿命が長いことを含む)で、広色域及び高コントラスト比で高輝度の画像を提供する。しかしながら、単にディスプレイの輝度を改善することは、暗いトーンを中程度のグレーにすることになり得る。結果として、新規レーザー光源に加えて、シーンの輝度の最も高い部分に対するシーンの輝度の最も低い部分の比である画像コントラストの更なる広がりを当業界は必要としている。つまり、コントラストが広がると、画像が現実世界のシーンをより忠実に表すことができる。この要求は、高ダイナミックレンジ(HDR,high dynamic range)法を利用するプロジェクションディスプレイによって部分的に満たされる。 The demand for high quality projection displays continues to grow, both from consumers and the creative industry, who want image quality and maximize the cinematic experience. One of the main efforts of the movie industry is to improve the brightness and contrast of images. Recently, major movie and projector companies have been focusing on laser technology. The use of a laser-type projector provides a high-brightness image with a wide color gamut and high contrast ratio at a low cost of ownership (including a long lifetime) over a projector with a conventional xenon bulb. However, simply improving the brightness of the display can cause dark tones to become moderately gray. As a result, there is a need in the art for a new laser light source, as well as a further spread of image contrast, which is the ratio of the scene's lowest intensity to the scene's highest intensity. That is, as the contrast increases, the image can more accurately represent a real world scene. This need is met, in part, by projection displays that utilize high dynamic range (HDR) techniques.
先進のHDRディスプレイ設計は、デジタルライトプロジェクター(DLP,digital light projector)に基づくものであり、50000:1を超え、また1000000:1もの高さになると言われているダイナミックレンジを可能にする。DLPプロジェクターは、DLPチップ、つまり、最大数百万個の小型(人間の髪の毛の幅の五分の一以下の幅)ミラーから成るデジタルマイクロミラーデバイス(DMD,digital micromirror device)に基づく。このチップの各ミラーは独立的に調節可能であり、光源に対するその角度位置を変更して、暗い又は明るい画素を形成する。しかしながら、この時点では、画像はグレースケールのものである。光ビームがチップに到達する前に回転プリズムを通過することによって、DMDにカラーが与えられる。プリズムの各部分が一つの色を伝える。当初は、赤、青、緑の三原色のみがサポートされていた。より先進のシステムでは、プリズムは、三原色に加えて、シアン、マゼンタ、及び黄色をサポートしている。チップが最大1670万色を生成することができ、三チップ設計のDLPプロジェクターは最大35兆色を届けることができる。カラーがDMDに到達した後で、画像がレンズを介してプロジェクションスクリーン上に与えられる。 Advanced HDR display designs are based on digital light projectors (DLPs) and enable a dynamic range that is said to be over 50,000: 1 and as high as 1,000,000: 1. The DLP projector is based on a DLP chip, a digital micromirror device (DMD) consisting of up to millions of small (less than one-fifth of the width of human hair) mirrors. Each mirror of this chip is independently adjustable and changes its angular position with respect to the light source to form dark or light pixels. However, at this point, the image is grayscale. The DMD is given a color by passing the light beam through a rotating prism before reaching the chip. Each part of the prism carries one color. Initially, only the three primary colors red, blue, and green were supported. In more advanced systems, the prism supports cyan, magenta, and yellow in addition to the three primary colors. Chips can produce up to 16.7 million colors, and a three-chip design DLP projector can deliver up to 35 trillion colors. After the color reaches the DMD, an image is provided on the projection screen via a lens.
再生段階中においては、HDRプロジェクターディスプレイのコンピュータベースの処理ユニットによって、カメラのビデオ情報が処理される。これは、一般的には、画像変換ユニット又はスケーラーを有するカメラ制御ユニットに最初から記憶されている多様な基準に基づいて画像信号を入力することによって行われる。スケーラーは、入力画像信号を、プロジェクションフォーマットを有する画像信号として統合し、その信号をビデオRAMに記憶して、次いで処理ユニットに送信する。処理ユニットは、送信された各画像信号を用い、所定のフォーマットに一致するフレームレート(例えば、毎秒60フレーム)と、色成分の分割数と、ディスプレイのグラデーション数が多重化される高速タイムシェアリング駆動とに基づいて、反射マイクロ素子を駆動させる。 During the playback phase, the video information of the camera is processed by a computer-based processing unit of the HDR projector display. This is typically done by inputting image signals based on various criteria that are initially stored in a camera control unit having an image conversion unit or scaler. The scaler integrates the input image signal as an image signal having a projection format, stores the signal in a video RAM, and then sends the signal to a processing unit. The processing unit uses each transmitted image signal to multiplex the frame rate (for example, 60 frames per second) that matches a predetermined format, the number of divisions of color components, and the number of gradations of the display. The reflection micro element is driven based on the driving.
実際には、処理ユニットは、カメラから送信されたデータに基づいてコントラストを増強するように設計される。従って、そのユニットの動作は、レーザー型光源の出力と、DMDの選択的な「オン」と「オフ」の位置とを管理する特定のアルゴリズムに基づく。しかしながら、既知のHDRプロジェクターの一部では、レーザー型光源が必ずしも効率的に動作しておらず、これが、光源の比較的短い寿命や、高いメンテナンスコストや、他の既知の欠点をもたらす。従って、HDRプロジェクターのレーザー型光源の動作を最適化することが望まれている。 In practice, the processing unit is designed to enhance the contrast based on the data transmitted from the camera. Thus, the operation of the unit is based on a specific algorithm that manages the output of the laser-type light source and the selective "on" and "off" positions of the DMD. However, in some known HDR projectors, the laser-type light source does not always operate efficiently, which results in a relatively short life of the light source, high maintenance costs, and other known disadvantages. Therefore, it is desired to optimize the operation of the laser light source of the HDR projector.
更に、少なくとも一部のHDRプロジェクターの動作では、ビデオグラファーやフィルムメーカー(映像作家)等の者が、予めプログラムされたコントラストをその人の構想に従って変化させるようにレーザー光源の出力を変更するための手段を有していない。従って、ムービーメーカーがレーザー型光源の強度を変調させることを可能にするコントラスト改善法をHDRディスプレイに提供することが望まれている。 Further, at least some HDR projector operations require that a person, such as a videographer or film maker (video writer), change the output of the laser light source to change the pre-programmed contrast according to the person's vision. No means. Accordingly, it is desirable to provide a HDR display with a contrast improvement method that allows a movie maker to modulate the intensity of a laser-type light source.
図1に示すHDRプロジェクションディスプレイシステム50には、赤色レーザー光源52、緑色レーザー光源54、青色レーザー光源56の各々の間の制御チャネルと、HDRプロジェクター60の制御ユニット18とが設けられていて、その制御ユニットは、搭載アルゴリズムに従って元々生成されていた画像の輝度を必要に応じて変更するために、オペレーターが各光源の出力を変調させることを可能にする。 The HDR projection display system 50 shown in FIG. 1 is provided with a control channel between each of a red laser light source 52, a green laser light source 54, and a blue laser light source 56, and a control unit 18 of an HDR projector 60. The control unit allows an operator to modulate the output of each light source to change the brightness of the originally generated image according to the on-board algorithm as needed.
特に、本開示のディスプレイ50は所与のビデオフレーム(つまり、完全な動画を構成する多数の個々の静止画のうちの一つ)に従って、また連続するフレームとフレームの間において、レーザーの動作を変更するように動作可能である。これは、制御器55を用いて実現可能であり、その制御器55は、レーザーシステム52、54、56の入力部に結合され、制御器55への外部信号に応答してレーザー出力の各々又はそれらの組み合わせの強度を変更する。例えば、コントラスト比がフィルムメーカーの要求に合うと、変更された強度がHDRプロジェクター60の制御処理ユニット18に記憶される。HDRプロジェクターは少なくとも一つの光変調器を有するが、二つの光変調器を備えるようにも構成可能であり、各光変調器が、赤色、緑色、青色の原色にそれぞれ対応する三つのDLPエンジンを含む。 In particular, the display 50 of the present disclosure controls the operation of the laser according to a given video frame (i.e., one of a number of individual still images that make up a complete moving image) and between successive frames. Operable to change. This can be accomplished using a controller 55 that is coupled to the inputs of the laser systems 52, 54, 56 and that each of the laser outputs or in response to an external signal to the controller 55. Change the strength of those combinations. For example, if the contrast ratio meets the requirements of the film maker, the changed intensity is stored in the control processing unit 18 of the HDR projector 60. An HDR projector has at least one light modulator, but can also be configured to have two light modulators, each light modulator having three DLP engines corresponding to the red, green, and blue primary colors, respectively. Including.
HDRディスプレイ50の動作を概説すると、二つの又は三つ全てのレーザーシステムが各出力ビームを放出し、次いで、それら出力ビームが白色光と組み合わされて、矩形積分器ロッドで均質化を経て、組み合わされて均質化されたビームを出力する。次いで、均質化されたビームがフィリップスプリズムに入射して、赤色、緑色、青色の成分に分けられる。これら成分が各DLPエンジンを照らし、各エンジンが、画素アレイの対応する色の画像を形成する。更に、各DLPエンジンから反射される各入射光成分の部分は、更なるコントラスト増強のための再び組み合わされて、及び/又はレンズ40を介してスクリーン30に直接投写され得る。 To outline the operation of the HDR display 50, two or all three laser systems emit each output beam, which are then combined with white light, homogenized with a rectangular integrator rod, and combined. And outputs a homogenized beam. The homogenized beam then enters the Philips prism and is split into red, green and blue components. These components illuminate each DLP engine, and each engine forms an image of the corresponding color in the pixel array. Further, portions of each incident light component reflected from each DLP engine may be recombined for further contrast enhancement and / or projected directly to screen 30 via lens 40.
一部のRGBディスプレイでは、各原色について216段階又は65636段階以上のレベルが存在し得る。典型的には、多重カラーの画像を含むフレームと比較して、均一な白色又は黒色を有するフレームが生じることは稀である。カラー画像のコントラストは、二つ又は三つの光の原色を混合すると共に、各DMDをオン位置、オフ位置及びこれらの間の位置に位置決めするアルゴリズム動作制御器18によって決定される光強度の程度を変更することを要する。 In some RGB display, two 16 stage or 65,636 steps or more levels may be present for each primary color. Typically, a frame with a uniform white or black color will rarely occur as compared to a frame containing multiple color images. The contrast of the color image is determined by an algorithm operation controller 18 that mixes two or three primary colors of light and positions each DMD in an on position, an off position, and a position therebetween. Need to change.
所与のフレーム又は画像は、典型的には、既知のセンサーシステムによって決定される最も明るい点と最も暗い点とを有する。既知のように、DMDが「オフ」位置にあって、光を反射しない場合でも、光はスクリーン上に漏れる。黒色であるべきスクリーンに、光の漏れに起因する光の色の痕跡が見られても本当に驚く者はいない。しかしながら、本発明のコンセプトは、例えば、所与のフレームに応じて、選択的な一つ以上のレーザーの出力強度を低減すること、又は不必要なレーザーシステムを完全にオフにすることによって、暗いフレーム上の望ましくない光の痕跡を顕著に低減することができる。所与のフレームについての各レーザーシステムの強度に関する必要な全ての情報は制御器18に記憶されて、フィードバックループR62、G64、B66をそれぞれ用いて、そのようにして編集されたフレームがスクリーン30上に撮像される時点において光源の出力強度を自動的に低減/増大するのに用いられる。 A given frame or image typically has the brightest and darkest points determined by known sensor systems. As is known, light leaks onto the screen even when the DMD is in the "off" position and does not reflect light. No one is really surprised to see traces of light color due to light leakage on a screen that should be black. However, the concept of the present invention is to reduce the intensity of the output of one or more lasers selectively, depending on a given frame, or to completely turn off unnecessary laser systems, for example. Signs of unwanted light on the frame can be significantly reduced. All necessary information regarding the intensity of each laser system for a given frame is stored in the controller 18 and the frame so edited is placed on the screen 30 using the feedback loops R62, G64, B66 respectively. Used to automatically reduce / increase the output intensity of the light source at the point in time when the image is taken.
レーザーシステム52、54、56は、パルス方式で動作し、ミラーを「オン」位置又は「オフ」位置に変位させることに同期してパルスを出力するように選択的に制御可能である。以下で詳述するように、赤色ファイバーシステム52、緑色ファイバーシステム54はそれぞれフレームレートを顕著に超えるパルス繰り返し率で動作する。典型的には、各フレームの持続時間は略15μsであり、パルス繰り返し率よりも実質的に大きい。フレームとパルス繰り返しとのレート(率)の違いは、以下で説明するように、動的コントラスト比制御の増強に寄与する。 The laser systems 52, 54, 56 operate in a pulsed manner and are selectively controllable to output pulses in synchronization with displacing the mirror to an "on" or "off" position. As described in detail below, the red fiber system 52 and the green fiber system 54 each operate at a pulse repetition rate that significantly exceeds the frame rate. Typically, the duration of each frame is approximately 15 μs, which is substantially greater than the pulse repetition rate. The difference in rate between the frame and the pulse repetition contributes to enhanced dynamic contrast ratio control, as described below.
上記の点は、DLPチップ84を示す図5を参照してより良く理解可能である。例えば、チップ84の底部に位置する一部のDMD86のみが「オン」位置にあることが要求されていると仮定する。制御器18からの命令に従って必要なDMDを「オン」位置に変位させることに同期してファイバーレーザーシステムが一つ以上のパルスを出力するように、ファイバーシステムの一つ以上のパルス光源52〜56を動作させることができる。DMDとファイバーシステムのパルス光源とのこのような同期動作は、パルス光源又は各ファイバーシステムのデューティサイクルを制御することによって簡単に確立可能である。予めプログラムされた同期の他に、オペレーターは外部入力55を用いてプログラムを手動で書き直して、所定のコントラスト比を変更することができる。ファイバーレーザーシステムの出力の変調は、緑色、赤色、青色の各システムの光の周波数変換効率が問題を受けないように制御される。 The above points can be better understood with reference to FIG. 5, which shows a DLP chip 84. For example, assume that only some of the DMDs 86 located at the bottom of chip 84 are required to be in the "on" position. One or more pulsed light sources 52-56 of the fiber system such that the fiber laser system outputs one or more pulses in synchronization with displacing the required DMD to the "on" position in accordance with a command from controller 18. Can be operated. Such a synchronized operation of the DMD and the pulsed light source of the fiber system can be easily established by controlling the duty cycle of the pulsed light source or each fiber system. In addition to the pre-programmed synchronization, the operator can manually rewrite the program using the external input 55 to change the predetermined contrast ratio. The modulation of the output of the fiber laser system is controlled so that the frequency conversion efficiency of the light of the green, red and blue systems is not affected.
真っ黒で完全に暗いことが要求されない限りは、各フレームは常に最も明るい点を有するが、その点は、典型的には、チップの全てのDMDがオン位置にあることに対応して可能な最大輝度よりは低い。これが、所与のフレームに応じてレーザー動作を最適化することを可能にする。プロジェクター60の制御器18がカメラから受信したデータは、各フレームについて所望のコントラストを与えるための各DLPの「オン」位置のDMDと、オフ位置のDMDの数を含む。しかしながら、レーザー光源の出力パワーは、一定のレベルに維持されるか、又は必要なコントラスト比を与えることができる最小値を超えるレベルに維持されることが多い。このようなレーザーの動作は、その機能性及びメンテナンスコストに悪影響を及ぼし得る。 Each frame always has the brightest point, unless it is required that it be completely black and completely dark, but that point will typically be the maximum possible corresponding to having all DMDs on the chip in the on position. Lower than the brightness. This allows to optimize the laser operation for a given frame. The data received by the controller 18 of the projector 60 from the cameras includes the number of DMDs in the "on" position and the DMDs in the off position of each DLP to provide the desired contrast for each frame. However, the output power of the laser light source is often maintained at a constant level or above a minimum that can provide the required contrast ratio. The operation of such a laser can adversely affect its functionality and maintenance costs.
上記欠点を最小にするため、制御器18は、当業者に既知の手段94によって決定される所与のフレームに対して最も明るい画素と最も暗い画素との間の所望のコントラスト比を得るために必要な全て又は選択的なレーザーシステム52〜56の最小平均パワーを決定するように動作可能である。計算された比についての最小平均パワーが決定されると、制御器18は、或るフレームレートにおける全ての又は選択的なレーザーシステムの平均出力パワーを制御可能に低減するようの動作することができる。本開示の構造及び方法は、レーザー光源の動作温度を下げて、電力消費を少なくすることに役立ち、これら全てが、長寿命、低メンテナンスコストにつながる。 To minimize the above drawbacks, the controller 18 is configured to obtain the desired contrast ratio between the lightest and darkest pixels for a given frame as determined by means 94 known to those skilled in the art. All or optional laser systems 52-56 are operable to determine a minimum average power. Once the minimum average power for the calculated ratio has been determined, the controller 18 can operate to controllably reduce the average output power of all or selective laser systems at a frame rate. . The structures and methods of the present disclosure help lower the operating temperature of laser light sources and reduce power consumption, all of which translate into longer life and lower maintenance costs.
図1の構造は、ムービーメーカー(映像作家)によってアクセス可能な外部入力55も有する。レーザーシステムの予めプログラムされた又は新たに決定された出力を上書きすることが望まれる場合がある。フィルムメーカー(映像作家)は、入力55を用いて、所望の比を得るためにその者の構想に従って出力強度を手動で変調することができ、更に、その所望の比はCPU18に記憶可能である。
The structure of FIG. 1 also has an external input 55 that can be accessed by a movie maker. It may be desirable to override the pre-programmed or newly determined output of the laser system. The film maker can use the input 55 to manually modulate the output intensity according to his or her concept to obtain the desired ratio, and the desired ratio can be stored in the CPU 18. .
好ましくは、本開示の光源は、赤色ファイバーレーザーシステム52、緑色ファイバーレーザーシステム54、及び青色ファイバーレーザーシステム56を含む。しかしながら、本開示の範囲は、ファイバーシステムのみに限定されず、ダイオード、ファイバー、他のレーザー構成の組み合わせを含み得る。例えば、青色レーザーシステム56が好ましくはダイオードレーザー型である一方で、赤色レーザーシステム52及び緑色レーザーシステム54はファイバーレーザー型システムとなり得る。ファイバーレーザーシステムはパルス光を出力するように構成され、そのパルス光は伝送ファイバー列を介してプロジェクター60に誘導される。レーザーシステム52〜56の各々は一つ以上のレーザーモジュールを有し得て、各レーザーモジュールは一つのファイバー発振器のみを含むが、典型的には、MOPFA(master oscillator power fiber amplifier,主発信器出力ファイバー増幅器)設計を特徴とする。 Preferably, the light sources of the present disclosure include a red fiber laser system 52, a green fiber laser system 54, and a blue fiber laser system 56. However, the scope of the present disclosure is not limited to fiber systems only, and may include combinations of diodes, fibers, and other laser configurations. For example, the red laser system 52 and the green laser system 54 can be fiber laser systems, while the blue laser system 56 is preferably a diode laser type. The fiber laser system is configured to output pulsed light, which is directed to the projector 60 via a train of transmission fibers. Each of the laser systems 52-56 may have one or more laser modules, and each laser module includes only one fiber oscillator, but typically includes a master oscillator power fiber amplifier (MOPFA). Fiber amplifier) design.
図2は本開示の光源の一構成を示し、選択されたファイバーレーザーシステム52〜56の各々が、それぞれ伝送ファイバー721〜72nを有する複数のモジュール701〜70nを含む。均一なカラー光で発光するモジュールは制御器18によって制御され、その制御器18は、所与のフレームで必要とされる場合に、一部又は全てのモジュールの出力強度を低減し、又はモジュールを完全にシャットダウンするように動作可能である。 Figure 2 shows a configuration of a light source of the present disclosure, each of the fiber laser system 52 to 56 which is selected includes a plurality of modules 70 1 to 70 n each having a transmission fiber 72 1 to 72 n. The modules that emit uniform color light are controlled by a controller 18 that reduces the output intensity of some or all of the modules when needed in a given frame, or Operable to shut down completely.
図3は本開示の光源の他の構成を示し、選択されたファイバーレーザーシステム52〜56の各々が単一のモジュール74を含む。しかしながら、モジュール74からの出力が、複数の伝送ファイバー721〜72nを介してプロジェクター72に選択的に誘導され得る。伝送ファイバー72周りの光の分布は、制御器18が作動させるスキャナー76を用いて実現され得て、その制御器18は、スキャナーの動作を、選択されたDMDのオン/オフ位置と配置とに同期させる。 FIG. 3 illustrates another configuration of the light source of the present disclosure, wherein each of the selected fiber laser systems 52-56 includes a single module 74. However, the output from the module 74 can be selectively induced in the projector 72 via a plurality of transmission fibers 72 1 to 72 n. The distribution of light around the transmission fiber 72 can be realized using a scanner 76 operated by the controller 18 which controls the operation of the scanner to the selected on / off position and location of the DMD. Synchronize.
図2及び図3に示される本開示のレーザー光源の構成の各々は、複数のファイバー721〜72nからの集合的な光を図1のプロジェクター60に誘導する出力ファイバー82を有するファイバー結合器82を追加的に有し得る。結合器を有さない場合の図2及び図3の構成と同様に、結合器を有する構成は、同じ色の光が単一の出力ファイバー82に結合される前に選択的な伝送ファイバー721〜72nに沿って誘導され得るように動作する。 Each of the laser light source configurations of the present disclosure shown in FIGS. 2 and 3 has a fiber coupler having an output fiber 82 that directs collective light from a plurality of fibers 72 1 -72 n to projector 60 of FIG. 82 may be additionally provided. Like the configuration of FIGS. 2 and 3 when no coupler, configured with coupler, selective transmission fiber 72 1 before the light of the same color are combined into a single output fiber 82 operates to be guided along the to 72 n.
上述の図5に戻り、図2及び図3の構成のいずれかにおいて、結合器80を有さないように修正すると、同じ色を誘導する各伝送ファイバー72の出力端は、対応するDMDチップ84と直接並置され得る。図1の制御回路のフレキシビリティを利用して、同じ色の光を、チップ84の所望のセグメントに対向するファイバー72によってのみ誘導し得る。この特徴を、DMDと光源の同期動作に加えて用いることができる。 Returning to FIG. 5 above, in either of the configurations of FIGS. 2 and 3, when modified to have no coupler 80, the output end of each transmission fiber 72 that directs the same color will have a corresponding DMD chip 84 And can be juxtaposed directly. Utilizing the flexibility of the control circuit of FIG. 1, light of the same color may be guided only by the fiber 72 facing the desired segment of the chip 84. This feature can be used in addition to the synchronous operation of the DMD and the light source.
ファイバーレーザーは、長寿命で高ウォールプラグ効率で超高空間輝度のものであることが知られていて、非常に小さなスポットからほぼコリメートされたビームでパワーを伝送する。こうした固有の光学的特性が、映画、ひいては新規種類のレーザーライティングにとって重要な性能を実現可能にし、つまり、ほぼ無制限な量のRGB光をデジタルプロジェクターに入力する性能と、効率的でフレキシブルな光ファイバーを介してキロワット単位の可視光を伝送する性能を実現可能にする。ファイバーレーザーの他の際立つ特徴は、固有に狭い帯域であり、完全に飽和した色の認知に寄与する。 Fiber lasers are known to be of long life, high wall plug efficiency and ultra-high spatial brightness, transmitting power in a very collimated beam from a very small spot. These unique optical properties make it possible to achieve performance that is important for movies and, consequently, for new types of laser lighting: the ability to input an almost unlimited amount of RGB light into a digital projector and the efficient and flexible optical fiber. To achieve the ability to transmit visible light in kilowatts. Another distinguishing feature of fiber lasers is the inherently narrow band, which contributes to the perception of fully saturated colors.
残念ながら、狭帯域の光がランダムに粗い表面(プロジェクションスクリーン30等)に入射すると、「スペックル」として知られている許容不能な画像アーティファクトも導入される。スペックルの視覚効果は画像の審美的な質を損ない、また、画像解像度の低下をもたらす。結果として、高解像度ディスプレイシステムに関しては、一般的にスペックルを排除することが重要である。理想的には、プロジェクションディスプレイの光源のスペクトル帯域幅は、数ナノメートル程度であって、4nmの最小値を有し、望ましくは略20nm程度で幅広であることが望ましい。このような光源は準単色であるとみなされ、つまり、スペックルを消去するのに十分広帯域でありながら、色純度については十分狭帯域である。本開示の光源は、後述のように、広輝線放射を出力するように構成され、スペックル効果を最小にする。 Unfortunately, the random incidence of narrowband light on rough surfaces (such as the projection screen 30) also introduces unacceptable image artifacts known as "speckle". The speckle visual effect impairs the aesthetic quality of the image and also results in reduced image resolution. As a result, for high resolution display systems, it is generally important to eliminate speckle. Ideally, the spectral bandwidth of the light source of the projection display is on the order of a few nanometers, has a minimum value of 4 nm, and is desirably broad on the order of 20 nm. Such light sources are considered to be quasi-monochromatic, that is, have a sufficiently wide band for canceling speckle, but a sufficiently narrow band for color purity. The light source of the present disclosure is configured to output broad emission radiation, as described below, to minimize speckle effects.
既知のように、フレームレートは最大でも毎秒120フレームである。実際には、フレームレートは典型的には60fps又は60Hz以下である。これは、レーザー出力が変調され得る周波数(一般的はKHz以上の周波数範囲)よりもはるかに低い。このような高周波数は、連続するフレームとフレームの間でレーザー光源を完全にシャットダウンすることさえ可能にし得る。これで徐々にではあるが、光源の効率が増大し、これは、競争が激しい映画及びディスプレイ産業においては決定的な利点である。 As is known, the frame rate is at most 120 frames per second. In practice, frame rates are typically below 60 fps or 60 Hz. This is much lower than the frequency at which the laser output can be modulated (typically in the frequency range above KHz). Such a high frequency may even allow the laser light source to be completely shut down between successive frames. This gradually increases the efficiency of the light source, which is a decisive advantage in the highly competitive cinema and display industry.
光源の更なる修正は、図6に示されるように、ビームスイッチアセンブリ65を介して複数のHDRディスプレイにパワーを与える一つの高出力ファイバーレーザー光源を使用することを含む。この設計はテーマパークに特に適している。図1〜図3の単一の光源と共に複数のディスプレイを使用することは、ビームスイッチを利用して実現可能である。 Further modifications of the light source include using one high power fiber laser light source that powers multiple HDR displays via beam switch assembly 65, as shown in FIG. This design is particularly suitable for theme parks. The use of multiple displays with the single light source of FIGS. 1-3 can be realized using a beam switch.
既知のように、希土類金属のイオンは、ファイバー中で発光イオンとして典型的に用いられるものであって、所定の波長範囲内で発光する。所望の波長範囲が、所与の種類の発光イオンで自然に利用可能な範囲外であれば、追加的な手法が用いられる。例えば、周波数変換法を用いることによって、赤色、緑色、及び青色の各波長範囲を得ることができる。 As is known, rare earth metal ions, which are typically used as luminescent ions in a fiber, emit light within a predetermined wavelength range. If the desired wavelength range is outside the range naturally available for a given type of luminescent ion, additional approaches are used. For example, by using a frequency conversion method, each wavelength range of red, green, and blue can be obtained.
図4Aは、本開示に従って構成された緑色ファイバーレーザーシステム52の一つの修正を概略的に示す。ファイバーレーザーポンプ85は、好ましくはMOPFA設計を有し、イッテルビウム(Yb)イオンにとって典型的な1064nm等の1マイクロメートル範囲のパルス広帯域光を出力し、2未満、好ましくは1.1未満の良好なM2値を有する。1nmから30nmの間の線幅を有する広帯域光は第二高調波発生器(SHG,second harmonic generator)に入射し、その第二高調波発生器はノンクリティカル位相整合の非線形結晶90、例えばホウ酸リチウム(LBO)を含み、その結晶は、結晶内でビームを費やすように制御可能に配置される。結晶90の出力は、略532nmの波長に中心があり最大10から15nmのスペクトル線幅λ1〜λnを有する広帯域緑色光を含む。 FIG. 4A schematically illustrates one modification of a green fiber laser system 52 configured in accordance with the present disclosure. The fiber laser pump 85 preferably has a MOPFA design, outputs pulsed broadband light in the 1 micrometer range, such as 1064 nm typical for ytterbium (Yb) ions, and has a good less than 2, preferably less than 1.1. with the M 2 value. Broadband light having a linewidth between 1 nm and 30 nm is incident on a second harmonic generator (SHG), which is a non-critical phase-matched nonlinear crystal 90, such as boric acid. Including lithium (LBO), the crystal is controllably arranged to spend the beam within the crystal. The output of the crystal 90 includes broadband green light centered at a wavelength of approximately 532 nm and having a spectral linewidth λ 1 -λ n of up to 10-15 nm.
周波数変換帯域幅は、結晶90の実質的に全長に沿って一定の温度勾配を生じさせることによって誘起可能である。結晶90の位相整合波長は結晶温度に依存する。一定の温度勾配が結晶内に課せられると、λ1〜λnの範囲を定める異なる波長についての位相整合条件が、結晶に沿った異なる箇所において合い、広い変換帯域幅を与え、これが十分過ぎる程度にスペックルを抑制する。 The frequency conversion bandwidth can be induced by creating a constant temperature gradient along substantially the entire length of the crystal 90. The phase matching wavelength of the crystal 90 depends on the crystal temperature. When a constant temperature gradient is imposed within the crystal, the phase matching conditions for different wavelengths defining λ 1 -λ n are met at different points along the crystal, giving a wide conversion bandwidth, which is more than sufficient. Suppress speckles.
図1の制御器18によって制御される二つの熱電冷却器(thermoelectric cooler,TEC)を設けて、大気条件にかかわらず所望の温度勾配を維持することによって、所望の温度勾配Tn〜T1を実現することができる。温度T1がTnよりも高いと、変換される波長がλ1からλnに増大する。 By providing two thermoelectric coolers (TECs) controlled by the controller 18 of FIG. 1 to maintain the desired temperature gradient regardless of atmospheric conditions, the desired temperature gradient T n -T 1 can be maintained. Can be realized. When the temperature T 1 is higher than T n, the wavelength to be converted increases in lambda n from lambda 1.
レーザーポンプからのビームは、図4Bに示されるようなベル形状を有し得る。しかしながら、その線幅λ1〜λnは、図4Cのフラットトップビームの線幅よりもやや小さい。従って、フラットトップビームが好まれる場合が多い。適切な手段を用いて二重矢印Aに沿ってTEC92及び94を変位させることによって、変換波長帯域を制御することができる。現状では、結晶90は、最大5mmの長さを有するものであり得るが、より長い結晶も試験中である。 The beam from the laser pump may have a bell shape as shown in FIG. 4B. However, the line widths λ1 to λn are slightly smaller than the line width of the flat top beam in FIG. 4C. Therefore, a flat top beam is often preferred. By displacing TECs 92 and 94 along double arrow A using suitable means, the converted wavelength band can be controlled. At present, the crystal 90 can have a maximum length of 5 mm, but longer crystals are also being tested.
緑色ファイバーレーザーシステムの他の構成は本出願人によるWO20150916に開示されていて、これは参照として本願に完全に組み込まれる。また、赤色ファイバーレーザー光源も、WO20150916に開示されている構成を有し得て、これも参照として本願に完全に組み込まれる。 Another configuration of a green fiber laser system is disclosed in WO20150916 by the applicant, which is fully incorporated herein by reference. Also, a red fiber laser light source may have the configuration disclosed in WO20150916, which is also fully incorporated herein by reference.
本開示を記載されている例に関して説明してきたが、上記の実施形態に対する多数の修正及び/又は追加が、添付の特許請求の範囲及び要旨から逸脱せずに、当業者には容易に明らかとなるものである。 Although the present disclosure has been described with reference to the described examples, numerous modifications and / or additions to the embodiments described above will be readily apparent to those skilled in the art without departing from the scope and spirit of the appended claims. It becomes.
18 制御ユニット
30 プロジェクションスクリーン
40 レンズ
50 HDRプロジェクションディスプレイシステム
52 赤色レーザー光源
54 緑色レーザー光源
56 青色レーザー光源
60 HDRプロジェクター
62、64、66 フィードバックループ
18 Control unit 30 Projection screen 40 Lens 50 HDR projection display system 52 Red laser light source 54 Green laser light source 56 Blue laser light source 60 HDR projector 62, 64, 66 Feedback loop
Claims (15)
赤色、緑色及び青色のデジタル光プロジェクターチップを有する少なくとも一つの空間光変調器と、
各デジタル光プロジェクターチップを照らすように動作する赤色、緑色及び青色のパルス光レーザーシステムを含むレーザー光源と、
各デジタル光プロジェクターチップ及び各パルス光レーザーシステムに結合された中央処理装置と、を備え、前記中央処理装置が、所望のコントラスト比に基づいて或るフレームレートにおいて各パルス光レーザーシステムの最適な平均パワーを決定するように動作し、各パルス光レーザーシステムが、対応するパルス光レーザーシステムの選択的なデジタルマイクロミラーがオン位置に変位することに同期してパルスを出力するように動作する、高ダイナミックレンジプロジェクター。 A high dynamic range projector,
At least one spatial light modulator having red, green and blue digital light projector chips;
A laser light source including red, green and blue pulsed light laser systems operative to illuminate each digital light projector chip;
A central processing unit coupled to each digital light projector chip and each pulsed light laser system, wherein the central processing unit optimizes the average of each pulsed light laser system at a frame rate based on a desired contrast ratio. Operating to determine power, wherein each pulsed optical laser system is operative to output a pulse in synchronization with the selective digital micromirror of the corresponding pulsed optical laser system being displaced to the on position. Dynamic range projector.
1nmから20nmの帯域幅を有するパルス広帯域光ビームを出力するポンプと、
前記パルス広帯域光ビームを受信する第二高調波発生器と、
前記第二高調波発生器の非線形結晶内に温度勾配を課して、前記非線形結晶の実質的に全長に沿って前記パルス広帯域光ビームの帯域幅内の複数の波長について位相整合条件を与えるように動作する複数の熱電冷却器とを含み、前記非線形結晶からの緑色光ビームが、前記ポンプの広帯域光ビームの帯域幅の実質的に半分である広変換帯域幅を有し、前記広変換帯域幅がスクリーン上のスペックルを抑制するのに十分なものである、請求項1から7のいずれか一項に記載の高ダイナミックレンジプロジェクター。 The green pulsed light laser system
A pump for outputting a pulsed broadband light beam having a bandwidth of 1 nm to 20 nm;
A second harmonic generator receiving the pulsed broadband light beam,
Imposing a temperature gradient within the nonlinear crystal of the second harmonic generator to provide phase matching conditions for a plurality of wavelengths within the bandwidth of the pulsed broadband light beam along substantially the entire length of the nonlinear crystal. A green light beam from the non-linear crystal having a wide conversion bandwidth that is substantially half the bandwidth of the broadband light beam of the pump; 8. A high dynamic range projector according to any one of the preceding claims, wherein the width is sufficient to suppress speckle on the screen.
各フレームに対して最大コントラスト比を決定することと、
レーザー光源の出力を変調して、該レーザー光源の出力が、或るフレームレートにおいて決定されたコントラスト比を提供するのに必要な最小平均パワーを有するようにすることとを備える方法。 A method for dynamically increasing the contrast ratio of the projector according to claim 1,
Determining a maximum contrast ratio for each frame;
Modulating the output of the laser source such that the output of the laser source has the minimum average power required to provide the determined contrast ratio at a frame rate.
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